Étude énergétique du Centre des Archives Nationales de Pierrefitte-sur-Seine

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HAL Id: dumas-01076798

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Submitted on 23 Oct 2014

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Pierrefitte-sur-Seine

François Catroux

To cite this version:

François Catroux. Étude énergétique du Centre des Archives Nationales de Pierrefitte-sur-Seine. Thermique [physics.class-ph]. 2011. �dumas-01076798�

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CONSERVATOIRE NATIONAL DES ARTS ET METIERS PARIS

___________________

MEMOIRE

présenté en vue d'obtenir le DIPLOME D'INGENIEUR CNAM

SPECIALITE : Énergétique OPTION : Froid et climatisation

par

François CATROUX

___________________

Etude énergétique du Centre

des Archives Nationales de Pierrefitte-sur-Seine

Soutenu le 28 Avril 2011

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JURY

PRESIDENT : M. Francis MEUNIER

MEMBRES : M. Bruno BONANDRINI

M. Simon MERERE M. Cyril TOUBLANC M. Brice TREMEAC M. Guillaume VINCENT

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Remerciements

Tout d’abord, je tiens à remercier Monsieur Brice TREMEAC, Maître de conférences au CNAM, pour m'avoir accompagné lors de la rédaction de ce mémoire.

Je remercie également Monsieur Jean-Luc LEMEUR, chef de département de la société SPIE, ainsi que Monsieur Guillaume VINCENT, ingénieur responsable d’études, pour avoir tout deux cru en la réussite de ce projet.

Merci au CNAM de permettre à tous de suivre des études sans interrompre la vie professionnelle. Je remercie Monsieur Francis MEUNIER, responsable de la filière Energétique du CNAM de Paris.

Je remercie Madame Caroline BAYLE, ingénieur d’études et Monsieur Simon MERERE, responsable d’activité chez SPIE, pour leurs conseils avisés tout au long de la réalisation de mon travail. Je tiens également à remercier Monsieur Bruno BONANDRINI, ingénieur thermicien pour les Archives Nationales pour son aide au sujet du traitement d’air dans les bâtiments d’archives.

Un grand merci à toute l’équipe du département travaux III DGK, pour leur contact chaleureux.

Je tiens enfin à remercier ma compagne sans qui je ne serais pas arrivé jusque là, grâce à son soutien pendant ces années de cours du soir.

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Liste des abréviations

Ap : Apports

CF : Contact de feuillure

COP : COefficient de Performance CTA : Centrale de traitement d’air

CVCD : Chauffage Ventilation Climatisation Désenfumage DAF : Direction des Archives de France

Dp : Déperditions

ECS : Eau Chaude Sanitaire Ep : Epaisseur

Ext : Extérieur

GTC : Gestion Technique Centralisée HL : Hauteur libre Hr : Humidité relative [%] K : Kelvin LT : Local Technique M : Mètre MR : Module de régulation NF : Normalement fermé P1 : Pompe n°1

PAC : Pompe à Chaleur PC : Point de consigne

PCC : Point de consigne calculé R : Résistance

REG : Régulateur SA : Sonde d’ambiance

Tr : Température de point de rosée [°C] VEC : vanne eau chaude

VEG : vanne eau glacée VEX : Ventilateur d’extraction VnC : Ventilo-convecteur VSO : Ventilateur de soufflage W : Watt

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Glossaire

ADEME : Agence De l’Environnement et de la Maîtrise de l’Energie

ATEX : Appréciation Technique d’Expérimentation : l'ATEx est une procédure rapide d'évaluation technique formulée par un groupe d'experts sur tout produit, procédé ou équipement ne faisant pas encore l'objet d'un Avis technique, afin de faciliter la prise en compte de l’innovation dans la construction [12]

BnF : Bibliothèque nationale de France CAN : Centre des Archives Nationales Cep : Consommation d’énergie primaire

CCTP : Cahier des Clauses Techniques Particulières

Chillers : Groupes refroidisseurs de liquide ; ces groupes sont largement utilisés en production d’eau glacée, pour la climatisation, mais aussi pour le refroidissement de tout liquide alimentaire ou en chimie. Ils peuvent également fonctionner en pompe à chaleur ou en récupérateur de chaleur [4].

CSTB : Centre Scientifique et Technique du Bâtiment

Free-cooling : Littéralement, refroidissement gratuit, le "free cooling" consiste à refroidir un bâtiment par ventilation en utilisant l'énergie gratuite de l'air extérieur lorsque celui-ci présente une température inférieure à la température intérieure

- En hiver, de l'air frais extérieur peut alimenter, en journée, les zones à rafraîchir sans nécessiter l'enclenchement des groupes frigorifiques.

- En été, une ventilation nocturne peut décharger le bâtiment de la chaleur accumulée en journée [13]

HPE : Haute Performance Energétique HQE : Haute qualité environnementale IGH : Immeuble de Grande Hauteur

L’appellation IGH est donnée pour les bâtiments de plus de 50 mètres pour les habitations et de 28 mètres pour les autres.

K : Kelvin T = θ + 273,15 avec θ la température en °C et T la température en K.

Progiciel : c’est un logiciel commercial vendu par un éditeur sous forme d'un produit complet, plus ou moins clés en main. Le terme résulte de la contraction des mots produit et logiciel (mot-valise). Plus récemment sont apparus des progiciels libres, développés par des communautés d'utilisateurs. [14]

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Taux de brassage de l’air [13]

Le taux de brassage de l'air exprime le nombre de fois que l'air d'un local est brassé par le système de chauffage ou de conditionnement de l'air, chaque heure. En général, les installations sont dimensionnées avec un taux de brassage de 3 à 4. En dessous de 3, il y a risque de stratification des températures, au dessus de 4, il y a risque d'inconfort par courants d'air.

Par exemple, un atelier de 3 000 m³ qui est chauffé par un préparateur d'air chaud de 10 000 m³/h présente un taux de brassage de 3,3.

Taux de renouvellement d’air [13]

Le taux de renouvellement d'air neuf exprime le nombre de fois que l'air d'un local est renouvelé, chaque heure, par de l'air neuf extérieur. Généralement, on utilise le symbole β pour le caractériser.

Exemples.

- La norme de calcul des déperditions NBN 62-003 propose un taux de renouvellement d’air horaire β de 1 pour l’estimation des pertes par ventilation d’un local. Cela signifie que l’air du local est renouvelé entièrement chaque heure.

- Il arrive que le taux de renouvellement horaire atteigne 10 (laboratoire de chimie), voire 30 dans une salle d’opérations, soit l'équivalent d'un remplacement total de l’air du local toutes les deux minutes.

TRNSYS : Transient system simulation programm (Programme de simulation de systèmes transitoires)

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Table des matières

Remerciements ... 2

Liste des abréviations ... 3

Glossaire ... 4

Table des matières... 6

Introduction ... 8

I CONTEXTE DE L’ETUDE ... 9

I.1 PRESENTATION DE L’ENTREPRISE ... 9

I.1.1 Son histoire ... 9

I.1.2 Son identité & ses domaines d’activité ... 11

I.1.3 La filiale SPIE Ile-de-France Nord-Ouest (IDFNO) ... 12

I.1.4 La Direction Génie Climatique (DGK) ... 13

I.2 DESCRIPTION GENERALE DU CENTRE DES ARCHIVES NATIONALES (CAN) ... 14

I.2.1 L’origine du projet... 14

I.2.2 Une œuvre architecturale ... 14

I.2.3 Une architecture en contraste ... 14

I.2.4 Une structure originale ... 14

I.2.5 Description de l’IGH ... 15

I.2.6 Description des satellites ... 15

I.3 DESCRIPTION DU LOT CLIMATISATION VENTILATION CHAUFFAGE ET DESENFUMAGE ... 16

I.3.1 Généralité ... 16

I.3.2 Un projet en vue d’être HQE... 16

I.3.3 Les chiffres de l’affaire ... 18

I.3.4 Les acteurs de la construction du CAN ... 18

I.3.5 Les acteurs de l’affaire chez SPIE ... 20

I.4 CONTRAINTES ... 21

I.4.1 Déroulement d’une affaire standard ... 21

I.4.2 Contraintes techniques du projet ... 22

I.4.3 Contraintes d’études ... 23

I.5 OUTILS DE CALCUL DE CONSOMMATION D’ENERGIE ... 23

I.5.1 Logiciel CLIMAWIN ... 23

I.5.2 Logiciel TRNSYS ... 24

I.6 TRAVAUX ANTERIEURS (BIBLIOGRAPHIE) ... 25

I.6.1 Systèmes de conditionnement d’air utilisés dans les musées [2] ... 25

I.6.2 Bâtiments et équipements d’archives dans les pays tropicaux [8] ... 28

I.6.3 Etude de la climatisation à la Bibliothèque Nationale de France (BNF) [9] ... 29

II ETUDES REALISEES DANS LES BATIMENTS SATELLITES ... 31

II.1 DESCRIPTION DES BATIMENTS SATELLITES ... 31

II.1.1 Schéma de principe ... 31

II.2 DIMENSIONNEMENT DES POUTRES ACTIVES (PA) ... 32

II.2.1 Fonctionnement des Poutres ... 32

II.2.2 Dimensionnement des PA ... 33

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II.4 SIMULATION DYNAMIQUE DES PA POUR VERIFIER L’ABSENCE DE CONDENSATION EN ETE ... 37

II.4.1 Présentation de l’étude ... 37

II.4.2 Méthodologie pour la simulation ... 37

II.4.3 Résultats et discussions ... 42

II.5 COMPARAISON ENTRE DES POUTRES ACTIVES ET DES VENTILO-CONVECTEURS POUR UN CAS PARTICULIER ... 45

II.5.1 Description de l’étude... 45

II.5.2 Etude aéraulique ... 45

II.5.3 Comparatif énergétique... 47

III ETUDES REALISES DANS L’IGH ... 50

III.1 DESCRIPTION DU BATIMENT IGH ... 50

III.1.1 Schéma de principe ... 50

III.1.2 Equipements techniques ... 50

III.1.3 L’Immeuble ... 52

III.1.4 Les magasins d’archives ... 54

III.2 SIMULATION DYNAMIQUE DES MAGASINS OU SONT CONSERVEES LES ARCHIVES POUR LE CONTROLE DE L’HYGROMETRIE DES MAGASINS ... 55

III.2.1 Présentation de l’étude ... 55

III.2.2 Méthodologie pour la simulation ... 55

III.2.3 Résultats et discussions de l’étude ... 60

III.3 ETUDE DE LA DIFFUSION D’AIR DES MAGASINS ... 65

III.3.1 Présentation de l’étude ... 65

III.3.2 Méthodologie de l’analyse... 67

III.3.3 Résultats et discussions ... 68

III.4 REGULATION DES MAGASINS DE L’IGH ... 70

III.4.1 Historique de la régulation à la BnF ... 70

III.4.2 Régulation des magasins au CAN de Pierrefitte ... 72

IV GAIN DE CONSOMMATION ET DEMARCHE METHODOLOGIQUE ... 74

IV.1 ANALYSE DE LA CONSOMMATION ACTUELLE ... 74

IV.2 FACTEURS POUVANT AGIR SUR LE COEF CREF (SAT)& TECHNOLOGIES LES MIEUX ADAPTES ... 75

IV.3 RECAPITULATIF DES GAINS ... 80

IV.4 AUTRES PROPOSITIONS DE REDUCTION ENERGETIQUE ... 81

IV.4.1 Production de froid à deux températures ... 81

IV.4.2 Optimisation du rendement des CTA en période estivale ... 86

IV.4.3 Utilisation d’une roue dessicante pour la déshumidification des magasins d’archives. .... 89

Conclusion ... 90

Bibliographie ... 91

Table des annexes ... 93

Annexe 1 Régulation des Poutres actives ... 94

Annexe 2 Fiche technique des groupes froid satellites ... 99

Annexe 3 Apports horaire pour le Magasin 19 ... 104

Liste des figures ... 106

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Introduction

Dans le cadre de ma formation au CNAM d’ingénieur en énergétique et de ma fonction au sein de SPIE en tant que technicien d’études, j’ai souhaité réaliser mon mémoire sur un grand projet du département « Les archives nationales de Pierrefitte ».

Les Archives Nationales dépendent du Ministère de la Culture. Depuis le 1er janvier 2007, les fonds conservés dans les archives nationales sont répartis entre trois services à compétence nationale :

- les Archives Nationales proprement dites (sites de Paris, de Fontainebleau et futur site de Pierrefitte-sur-Seine) ;

- Les Archives Nationales d’Outre-mer,

- Les Archives Nationales du Monde du Travail.

Le but de ce mémoire est de réaliser une étude énergétique du Centres des Archives Nationales à partir des différents traitements d’air du bâtiment.

Cette étude est composée en quatre parties. La première partie est consacrée à la présentation de SPIE, du projet et de ses contraintes traitées dans le cadre de ma société. Puis, nous nous intéresserons à l’étude réalisée dans les bâtiments satellites et dans l’immeuble de grande hauteur. Et enfin, nous étudierons les solutions susceptibles de réduire la consommation énergétique de ces bâtiments.

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I

Contexte de l’étude

I.1 Présentation de l’entreprise

I.1.1 Son histoire

1872 La société d’Ernest Goüin «E. Goüin & Cie » se transforme en société anonyme sous le nom de Société de Construction des Batignolles (SCB).

1900 Création par Edouard Empain de la Société Parisienne pour l’Industrie des chemins de fer et des tramways Electriques. Son premier client est la compagnie générale de traction (métropolitain de Paris).

1923 La Société Anonyme Alsacienne ‘Force et lumière électrique’, créée au XIXème siècle, devient « TRavaux INDustriels pour l’Electricité ».

1945 TRINDEL se diversifie en se lançant dans l’équipement des centrales hydrauliques, ainsi que dans des secteurs industriels tel que la sidérurgie, la chimie et la pétrochimie.

1946 La Société Parisienne pour l’Industrie des chemins de fer et des tramways Electriques devient la SPIE. Elle participera à la reconstruction des infrastructures et des lignes électriques ferroviaires. Elle multipliera son chiffre d’affaires par 28 en 20 ans.

1968 Fusion de SPIE et de SCB sous le nom de SPIE BATIGNOLLES. Son principal actionnaire est Empain, qui deviendra Empain-Schneider.

1975 TRINDEL multiplie ses activités dans le monde, comme l’électrification du chemin de fer au Congo ou encore la réalisation de lignes et de postes 200 KV en Syrie.

1982 SPIE BATIGNOLLES prend le contrôle de Trindel. Deux ans plus tard, Trindel prend la dénomination de SPIE TRINDEL.

1984 SPIE TRINDEL se développe en France autour de plusieurs Fédérations Régionales, pour assurer un service de proximité.

1997 SPIE BATIGNOLLES devient SPIE. Associés au groupe britannique AMEC, les salariés du groupe SPIE décident de racheter leur entreprise (R.E.S) à SCHNEIDER. Ce fut un immense succès puisque le rachat du solde de participation du groupe Schneider dans SPIE TRINDEL a lieu deux années avant l’échéance prévue.

2002 AMEC exerce son option d’achat des actions de SPIE restant à acquérir (54%). Nouvelle dénomination AMEC SPIE

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2007 - SPIE acquiert l’activité « Building and Facilities Services » (rebaptisée SPIE Matthew Hall) du groupe AMEC. Constituant désormais la première filiale de SPIE en chiffre d’affaires, SPIE Matthew Hall fait croître la part d’activité du groupe réalisé hors France de 28 à 40 %.

- Avec l’acquisition de Controlec, SPIE Nederland devient un acteur majeur aux Pays-Bas en matière d’électricité, d’automatisme et de mécanique.

2008 SPIE poursuit sa croissance externe avec l’acquisition de nombreuses sociétés en Europe, telles que Lapierre, Paternoster, GEFCA, Juret, Roussel, Socotech en France, Heijmans Industrial Services (HIS) aux Pays-Bas, Anca-Tech en Belgique.

2009 - SPIE renforce sa présence au Royaume-Uni avec le rachat de W.H.S, une société spécialisée en installations électriques et instrumentation dans le secteur de l’énergie.

- Grand Prix sécurité décerné par le SERCE et l’OPPBTP, récompensant un taux de fréquence des accidents exceptionnellement bas pour la profession.

2010 Gauthier Louette, directeur général de SPIE depuis 2003, devient président-directeur général de SPIE SA le 1er janvier 2010, succédant à Jean Monville qui prend sa retraite le 31 décembre 2009.

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I.1.2 Son identité & ses domaines d’activité

SPIE, Société Parisienne pour l’Industrie Electrique, est aujourd’hui une société anonyme, spécialiste des domaines du génie électrique, mécanique et climatique, de l'énergie, des communications et des infrastructures. SPIE se développe auprès des entreprises dans la conception, la réalisation, l’exploitation et la maintenance de leurs installations.

Avec près de 400 implantations dans 28 pays et 26 500 collaborateurs, SPIE propose des services et des solutions techniques performantes (Fig I.1) qui répondent aux enjeux actuels et futurs de ses clients, qu’ils soient locaux ou internationaux.

Figure I.1 : Les domaines d’activité de la SPIE [7]

Fiche d’identité : Dénomination sociale : SPIE

Secteur d’Activité : Etudes, Installations, Maintenance électricité & climatisation Statut social : Société Anonyme

Capital : 25 192 000 € Chiffre d’Affaire : 3 800 000 000 € Effectif : 26 500 personnes Siège social : Parc Saint Christophe

95612 Cergy Pontoise PDG : Gauthier LOUETTE

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62 ₅₉ 80 02 60 76 27 77 91 78 93 94 95 Arras SAINT-DENIS Dunkerque V Vaalleenncciieennnneess C Caallaaiiss S Saaiinntt--OOmmeerr L LeeHHaavvrree RRoouueenn Beauvais C Chheelllleess É Éllaannccoouurrtt M Moorreett//LLooiinngg 92 Lille Évry Cléon L Leennss R Rooiissssyy A Ammiieennss Éragny M Moonnttrreeuuiill P Puutteeaauuxx C Crrooiissssyy//SSeeiinnee Agence Nord-Pas-de-Calais Département

Industrie Littoral Nord Filiale

Nempon Mimeca

Département

Energie, Environnement, Ergonomie

Agence Haute-Normandie Agence Paris Nord-Ouest Agence Paris Sud-Est Agence Picardie Direction d’Activité Electricité Tertiaire (DET)

Direction d’Activité Génie Climatique (DGK) Direction d’Activité Maintenance et Services (DMS) Filiale Paternoster Direction d’Activité

Déploiement, Maintenance et Logistique (DML)

I.1.3 La filiale SPIE Ile-de-France Nord-Ouest (IDFNO)

Je travaille au sein de la filiale IDFNO à la direction d’activité Génie Climatique. La filiale IDFNO est divisée en 2 pôles (Fig I.2) [7] :

-1 pôle métier regroupant :

• Electricité Tertiaire à Saint-Denis (DET) • Génie Climatique à Saint-Denis, Cléon (DGK)

• Maintenance et Service à Saint-Denis, Montreuil, Puteaux (DMS) • Déploiement Maintenance et Logistique à Eragny, Evry, Lille (DML) -1 pôle régional pour les activités pluridisciplinaires de proximité regroupant :

5 agences régionales 2 départements techniques

• Paris Nord-Ouest à Eragny (PNO) • Paris Sud-Est à Evry (PSE)

• Nord- Pas-de-Calais à Lille (NPC) • Haute-Normandie à Cléon (HNO) •Picardie à Beauvais (PIC)

• Industrie Littoral Nord à Dunkerque (ILL)

• Energie, Environnement, Ergonomie à Arras (EEE)

Figure I.2 :Plan de la Filiale IDFNO [7]

4 Directions

PÔLE REGIONAL: 166 M€ 1400 personnes

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I.1.4 La Direction Génie Climatique (DGK)

Pour une meilleure répartition de la charge de travail, le génie climatique a été divisé en 3 départements travaux nommés Travaux I, II et III. Le département Travaux III, créé depuis janvier 2008, est celui auquel je suis affecté. Ce dernier a pour principale activité les grands projets du tertiaire. Cependant, le département commence à se développer dans l’industrie et les travaux de proximité, notamment avec l’arrivée de Julien PEPERMANS, Développeur commercial Travaux de Proximité.

Chef de département : Jean-Luc LE MEUR Assistante de direction : Sylvia GOUZE Chiffre d’affaires : 20 M€

Effectifs : 27 personnes

A tout cela s’ajoute un département « moyen commun » sous les ordres de Pierre CHAUVEAU décomposé en :

Service achats (4 personnes)

Service chiffrage/projet (6 personnes)

Service encadrement ressources chantier (80 personnes) Service électricité, régulation, mise au point (14 personnes)

SPIE est une entreprise qui a pour objectif de mettre à disposition des compétences en vue de satisfaire les attentes du client. Par exemple, il y a 3 ans, certains postes n’existaient pas. M .VINCENT a été embauché en tant qu’ingénieur d’études pour développer une cellule étude afin de répondre à un cahier des charges dans les plus brefs délais.

Au sein de ce pôle étude, nous comptons à ce jour quatre employés: - 1 ingénieur d’études, M. VINCENT

- 3 techniciens d’études, Mlle NOSEL, M.BOTREL et moi-même - 1 dessinateur projeteur, M.BOUDET

Ce groupe de travail est en pleine expansion car nous attendons prochainement un chargé d’études et un autre technicien d’études.

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I.2 Description générale du Centre des Archives Nationales (CAN)

I.2.1 L’origine du projet

Souhaité par le Président de la République J. Chirac dès 2001 pour « enrayer la catastrophe patrimoniale qui menace les Archives nationale », ce projet est mis sur le devant de la scène par l’actuel Président de la République, N.Sarkozy, dans le cadre de sa politique sur « l’identité nationale ». Ce bâtiment est destiné à désengorger les deux centres des Archives Nationales de Paris et Fontainebleau et améliorer ainsi la préservation des documents. Ce nouveau centre, dont la première pierre a été posée en septembre 2009, aura pour fonction d’assurer la collecte, la conservation, le traitement, mais aussi de permettre la communication et la consultation de ces archives des administrations centrales de l’Etat de la Révolution Française à nos jours, et ce durant les trente prochaines années.

I.2.2 Une œuvre architecturale

Au regard de l’importance à tous points de vue que revêtait ce projet, l’esthétique du futur centre des Archives nationales a fait l’objet d’une attention particulière. Ainsi, le Ministère de la Culture et de la Communication a choisi à l’issue d’un concours international, l’architecte italien Massimiliano Fuksas. C’est lui, et son cabinet, qui ont dessiné les formes et imaginé les structures. Dans le cas des projets où l’accent est mis sur le design, l’architecte a évidemment un fort pouvoir décisionnel.

I.2.3 Une architecture en contraste

Ce centre des Archives nationales (Fig I.3) sera composé d’un Immeuble de Grande Hauteur IGH, principal et imposant bâtiment parallélépipédique en béton sans ouvrants de onze niveaux – sous-sol et terrasses techniques de toitures non comprises – à côté duquel tiendront six

bâtiments dits « satellites ». Ces bâtiments seront disposés en porte-à-faux, parallèlement ou perpendiculairement, les uns par rapport aux autres. Mais si de loin l’IGH formera un pavé, les satellites évoqueront davantage un ensemble de fines lamelles de verre et de métal.

Figure I.3 : Maquette du Centre des Archives Nationales

I.2.4 Une structure originale

En effet ces six satellites reposeront sur quatre noyaux de béton renfermant les escaliers et ascenseurs. Ces derniers supporteront les armatures métalliques, véritables squelettes de ces bâtiments dont la peau sera en verrerie. Quant à l’IGH, il sera plus classiquement construit en béton sans ouvrant mais recouvert par une peau en verrerie

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soutenue par une armature métallique. A noter que des passerelles relient l’IGH aux satellites, ainsi que les satellites entre eux.

I.2.5 Description de l’IGH

Le bâtiment IGH est principalement composé de :

- Magasins (Locaux de classement des Archives qu’elles soient en papier, microfilm, disques compacts, etc.)

- Salle de lecture

I.2.6 Description des satellites

Les bâtiments satellites sont principalement composés de : - Bureaux

- Ateliers de restauration - Salle de colloques - Salle d’expositions

(17)

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(18)

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(19)

I.3.3 Les chiffres de l’affaire

Les prestations de SPIE concernant cette affaire sont : Pour les satellites :

- Surface totale des 6 bâtiments satellites : 20 000 m²

- La production de chaud issue du réseau urbain SDCSD de la commune de Saint-Denis pour 2 000 kW (commune avec l’IGH)

- La production de froid avec 2 groupes froid pour 1 100 kW - La production aéraulique grâce à 16 CTA totalisant 150 000 m3/h - Un total de 270 poutres actives pour traiter l’air dans les locaux. Pour l’IGH :

- Surface totale de l’IGH : 80 000 m²

- La production de chaud issue du réseau urbain SDCSD de la commune de Saint-Denis pour 2 000 kW.

- La production de froid avec 2 groupes froid pour 900 kW

- La production aéraulique grâce à 12 CTA totalisant 300 000 m3/h - L’air neuf des CTA délivré par une PAC de 9 500 m3/h

- Le désenfumage de la salle de lecture notamment (170 000 m3/h)

Le chantier s’étendra de janvier 2010 à décembre 2011. Tous corps d’état confondus, le montant global de l’affaire est de 132 M€, le contrat de SPIE s’élevant à 10,38 M€.

I.3.4 Les acteurs de la construction du CAN

Abréviations et définitions des termes utilisés dans l’organigramme ci-après (Tableau 1). - CSPS : Coordination Sécurité et Protection de la Santé : Il s’agit de la sécurité

et la protection des personnes travaillant sur le chantier.

- BET TCE/CSSI : Bureau d’études Techniques Tous Corps d’Etat/ Coordination Sécurité Systèmes Incendie.

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Tableau 1 : Organigramme du chantier C CSSPPSS Q QUUAALLIICCOONNSSUULLTT S SEECCUURRIITTEE

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I.3.5 Les acteurs de l’affaire chez SPIE

Concernant les études techniques du lot CVC, la répartition des équipes est à l’image du chantier (Tableau 2). Une partie de l’effectif travaillera sur les bâtiments Satellites et l’autre partie travaillera sur l’IGH.

Tableau 2 : Organigramme SPIE de l’affaire

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I.4 Contraintes

I.4.1 Déroulement d’une affaire standard

Dans les règles de l’art, l’étude d’une affaire se déroule toujours de la même manière :

1) Bilan thermique :

Sous-traité ou réalisé en interne, ce bilan thermique ou énergétique du bâtiment a pour but de connaître les apports et les déperditions des locaux dans lesquels seront installés les traitements d’air adéquat. Ce bilan thermique a également pour objectif de savoir si le bâtiment est conforme à la réglementation thermique en vigueur et au meilleur des cas s’il rentre dans les exigences d’un label visé (HQE par exemple). Ce bilan thermique est obtenu à l’aide d’un logiciel certifié CSTB dont l’étude se trouve dans le paragraphe suivant. Le temps à consacrer pour réaliser un bilan thermique est variable selon la grandeur du bâtiment. Dans notre projet du CAN, le premier bilan thermique a duré 1 mois. Un deuxième bilan a été réalisé mais nous y reviendrons ultérieurement dans ce mémoire.

2) Schéma de principe

Un schéma de principe (Fig I.6) doit être élaboré en parallèle du bilan thermique. Ce schéma est essentiel pour visualiser l’installation dans sa globalité. Généralement, on distingue les schémas de principe aéraulique et hydraulique pour ne pas trop alourdir le dessin lorsque l’installation est conséquente. Sur Pierrefitte, l’étude du schéma de principe satellite a été longue, environ deux mois. En effet la répartition dans l’espace des réseaux de fluides n’a pas été simple. La raison de cette difficulté est présentée dans le paragraphe I.4.2.

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3) Etude des réseaux

Lorsque les résultats du bilan thermique sont connus et le schéma de principe réalisé, la cellule étude peut commencer le dimensionnement des réseaux aéraulique et hydraulique. Une énumération du matériel utilisé sur le chantier est créée pour savoir s’il ne manque aucun élément. Ensuite, des consultations de ce matériel sont lancées aux fournisseurs pour avoir une idée de la faisabilité de l’installation aussi que du coût de l’affaire. La durée d’exécution de cette tâche est difficilement quantifiable car il n’est pas rare de refaire plusieurs fois cette étude des réseaux si le matériel n’est pas optimisé dès la première fois. Dans notre cas la première étude des fluides a duré 4 mois. D’autres études ont suivi la première que nous étudierons plus loin également.

4) Réservations dans la structure béton

Ce n’est qu’après avoir dimensionné au plus juste nos réseaux aéraulique et hydraulique qu’il est possible de réserver les emplacements où passent nos gaines et tuyauteries. On parle de réservations dans les trémies pour tous les passages verticaux entre chaque étage du bâtiment. On parle de réservations horizontales pour tous les passages aérauliques et hydrauliques dans les parois en béton ou en parpaings. Sur le chantier de Pierrefitte, les premières demandes de réservations n’ont pas suivi le cours classique de l’étude. Deux mois après le début du chantier, il fallait faire des demandes de réservations pour que le lot gros œuvre commande au plus vite les dalles en béton avec nos réservations prévues dedans. Ceci fait partie d’une des contraintes présentées dans les paragraphes suivants.

I.4.2 Contraintes techniques du projet

Comme nous l’avons énoncé précédemment, la structure des bâtiments satellites est particulière architecturalement (Fig I.7), mais cette conception peut aussi poser des problèmes d’encombrement et de cheminement de nos réseaux aérauliques et hydrauliques. En effet, la structure pour les satellites est en métal. Pour améliorer le système, le charpentier co-traitant de Bouygues met à jour régulièrement ses plans. Ainsi la synthèse devient donc très lourde. Pour éviter toutes propagations du bruit des machines dans les bureaux, une dalle acoustique a été installée dans les locaux techniques ce qui a réduit leur hauteur.

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Figure I.7 : Plan CVC Bâtiments satellites – Niveau RDC

I.4.3 Contraintes d’études

La partie étude de ce chantier a débuté en 2009. Or SPIE n’a récupéré cette affaire que 3 mois après son lancement. L’étude aéraulique, hydraulique ainsi que les plans de réservations dans la structure béton du sous-sol au R+2 étaient déjà commencés. Le bilan thermique était également fait. Tout cela à l’époque avait été effectué par deux Bureau d’Etudes conception. La contrainte a été de tout vérifier et du coup de tout reprendre à zéro car ce bureau d’étude n’avait pas vu toutes les subtilités de ce chantier.

SPIE est le sous-traitant de Bouygues, ces derniers doivent valider une première fois nos informations avant de les transmettre au Maître d’œuvre ; ainsi le temps de validation est important (ex : 6 mois pour apprendre le visa négatif du Bilan Thermique) ce qui ne facilite pas la rapidité des études. Cela entraîne une forte inertie pour la mise à jour des documents et l’obtention d’informations nécessaires à nos études.

I.5 Outils de calcul de consommation d’énergie

Au cours de notre étude du chantier CAN, nous avons utilisé deux logiciels de calcul de consommation d’énergie du bâtiment.

I.5.1 Logiciel CLIMAWIN

Pour ces calculs de consommation d’énergie, on utilise le logiciel certifié CSTB, conçu à partir des exigences établies par la Règlementation Thermique. Le logiciel permet d’établir des bilans thermiques en calculant les apports et déperditions d’un bâtiment à partir de plusieurs hypothèses prédéfinies par le bureau d’études. Les simulations sont réalisées en régime permanent ; on considère que le système fonctionne sans composante temporelle, puisque nous ne sommes pas en régime transitoire.

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La Méthode de Calcul

La méthode de calcul est une méthode par pas horaire. Autrement dit, la consommation fait l’objet d’un calcul heure par heure sur tous les mois de l’année. Elle n’est donc pas conçue pour être appliquée manuellement car les calculs seraient beaucoup trop longs et lourds pour un projet comme celui du CAN. Nos recherches seront basées essentiellement sur des simulations thermiques à partir de ce progiciel (voir définition dans le Glossaire).

Le calcul de la consommation d’énergie primaire Cep (en kWh/m²) est défini par la formule suivante [18]:

La formule prend en compte les consommations de chauffage, de climatisation, de ventilation, d’eau chaude sanitaire et d’éclairage auxquelles on soustrait la production d’électricité Epv.

Cep.ch, Cep.fr, Cep.ecs, Cep.ecl, Cep.vent, Cep.aux et Cep.pv sont les coefficients de transformation en énergie primaire (FigI.8) correspondant respectivement au chauffage, au refroidissement, à l’eau chaude sanitaire, à l’éclairage, aux ventilateurs locaux et centraux, aux auxiliaires de distribution et de génération et à la production d’électricité à demeure.

Figure I.8 : Coefficients conventionnels de transformation en énergie primaire [18]

Je rappelle que la méthode n’a pas pour but de faire un calcul de la consommation réelle du bâtiment compte tenu des conventions retenues notamment pour le climat, les apports gratuits, les températures de consigne et les horaires d'occupation. Ces derniers sont déterminés en fonction du lieu et de l’usage du local ainsi que la zone dans lequel il est situé.

I.5.2 Logiciel TRNSYS

TRNSYS est une simulation du programme transitoire avec une structure modulaire qui a été conçue pour résoudre des problèmes complexes de systèmes énergétiques en décomposant le fonctionnement par modules de calcul (dénommé « Type »).

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La bibliothèque TRNSYS comprend des éléments habituellement trouvés dans un système de conditionnement d’air (climatiseur, échangeur de chaleur au sol, pompe à chaleur, pompe, etc…) et le programme permet de joindre directement les composants mis en œuvre en utilisant d’autres logiciels (Matlab, excel, pleiade, comfie…) [1]

Dans le projet Pierrefitte, nous avons utilisé le logiciel TRNSYS lorsque nous avions besoin de simulation thermique dynamique. Ce qui est utile dans ce logiciel est d’obtenir la charge thermique des locaux heures par heures pendant toute l’année. Il m’a été demandé également sur d’autres affaires d’utiliser TRNSYS pour connaître l’évolution de la température dans une salle informatique lorsque la climatisation est arrêtée. Le but de cette étude était de savoir en combien de temps, le local atteignait la température limite des ordinateurs.

I.6 Travaux antérieurs (bibliographie)

Une visite des actuelles Archives Nationales (rue des Archives – PARIS – Fig I.9) nous a permis de découvrir que ce bâtiment était traité naturellement. Le flux d’air circule dans les magasins d’archives uniquement grâce à des Ventilations Basse (VB) et des Ventilation Haute (VH).

Figure I.9 : Photos des Archives Nationales – rue des Archives - PARIS

I.6.1 Systèmes de conditionnement d’air utilisés dans les musées [2]

Dans la littérature scientifique, nous trouvons peu d’articles sur le conditionnement d’air dans les dépôts d’archives. Ce qui se rapproche le plus de ces bâtiments sont les musées.

Un contrôle thermique et hygrométrique strict est nécessaire dans les musées principalement pour la conservation des œuvres et pour le confort des visiteurs. De ce fait le traitement d’air doit fonctionner en permanence, c’est pour cela que le système de climatisation doit être approprié pour garantir une économie en énergie.

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L’installation la plus adéquate pour maintenir ces exigences thermiques et hygrométriques est le système tout air. Une centrale de traitement d’air (CTA) assure la filtration, le rafraîchissement, le chauffage, la déshumidification, l’humidification des collections et tableaux à une distance éloignée. Ainsi les risques de fuites, liés à la proximité des tuyauteries d’eau ou de vapeur sont évités ; de plus, la maintenance dans un local technique décentralisé est plus facile.

En revanche, un système tout air, peut se présenter défavorable quant à la mise en place des gaines aérauliques dans les constructions historiques exiguës. Il faudra donc trouver un compromis entre le traitement d’air optimum et l’encombrement du bâtiment.

En général, étant donné une perturbation impulsive sur la température ambiante et l’humidité relative en raison de la variation d’occupation, le temps de retour à l’état initial diminue en fonction du taux de brassage du système de distribution. Ainsi le flux d’air recommandé est d’environ 6 à 8 renouvellements d’air par heure.

En ce qui concerne l’air extérieur, une trop grande quantité d’air neuf pourrait présenter des particules de gaz polluant ainsi qu’une charge latente trop importante lors des jours trop humides. Cela signifie que le taux d’air neuf sera calculé au minimum pour assurer l’air neuf hygiénique des occupants.

La déshumidification par adsorption réduit l’humidité même quand la température de point de saturation est vraiment basse. Cette sorte de déshumidification est meilleure aussi en termes d’hygiène grâce à l’absence d’eau des condensats ce qui réduit énormément la présence de bactéries, moisissures et autres microbes.

Au contraire, les systèmes de déshumidification par absorption sont à proscrire en raison de la présence de particules acides (solutions de chlore) qui pourraient sous formes de gouttes endommager les œuvres.

Pour améliorer la performance du bâtiment tant en ce qui concerne le contrôle de la température et de l’hygrométrie qu’en ce qui concerne le rendement énergétique, on peut utiliser les systèmes suivants :

- un récupérateur de chaleur sensible (avec un rendement de 70%)

- un système économiseur côté air en enthalpie (lié à 3 humidificateurs couplés, capteurs de température et HR extérieurs, un régulateur), qui fait varier le taux d’air extérieur jusqu’à 100% : donc quand les conditions extérieures le permettent, le système de récupération partielle est remplacé par un système de free-cooling (voir définition dans le Glossaire).

- un module dessicant (Fig I.10), en entrée de CTA, constitué d’une roue avec un matériel dessicant solide capable de déshumidifier l’air quand cela est nécessaire (principalement en été). Dans le module dessicant, il y a aussi un récupérateur de chaleur sensible, qui préchauffe le flux d’air de régénération au moyen de l’énergie thermique récupérée par le processus de

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déshumidification. L’utilisation de la roue dessicante améliore le contrôle de l’humidité dans la pièce. Il exige l’utilisation du gaz pour la batterie de régénération, tandis qu’il implique une réduction de l’énergie électrique exigée par le chiller (voir définition dans le Glossaire).

Figure I.10 : Système simple zone en tout air et roue dessicante [2]

Ce récupérateur de chaleur sensible sur l’air repris et le système économiseur d’enthalpie permettent d’obtenir des économies d’énergie considérables. Ils sont nécessaires si l’on considère que les systèmes de conservation des œuvres d’art dans les musées fonctionnent toute l’année sans interruption.

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I.6.2 Bâtiments et équipements d’archives dans les pays tropicaux [8]

Les pays tropicaux sont des régions où règne un climat chaud et humide, soit en permanence soit partiellement selon les saisons. Les archives et les bâtiments où elles sont déposées sont sensibles à ce type de climat.

L’excès de chaleur et l’humidité entraînent une dégradation des colles, des matières organiques, de l’encre et des éléments métalliques comme les agrafes ou les épingles. La prolifération des champignons, des insectes et des rongeurs peut également être due à la chaleur et l’humidité. Dans certaines régions tropicales, on retrouve aussi la contrainte des séismes, cyclones et éruptions volcaniques. Par conséquent les bâtiments d’archives doivent être conçus pour résister à toutes ces menaces extérieures.

Depuis une vingtaine d’année, les locaux de conservation d’archives sont climatisés dans les pays tropicaux. La température choisie est de 18°C et l’humidité relative de 55%. En revanche, il n’est pas toujours nécessaire de traiter l’ensemble des locaux, un système d’assèchement d’air par déshydratation avec ventilation et filtrage de l’air à l’entrée peut être suffisant.

La filtration de l’air est primordiale en pays tropicaux. Les archives doivent être protégées des spores de champignons, des larves d’insectes, des poussières dans l’atmosphère ainsi que du sel très chargé dans l’air marin. Des filtres « à couche poreuse » placés en entrée d’air de chaque système de ventilation sont donc une nécessité.

Pour protéger les archives de l’excès de lumière solaire, certains architectes préfèrent supprimer complètement les fenêtres dans les locaux de conservations des œuvres. Cela oblige à climatiser en permanence et d’utiliser l’éclairage électrique qui peut être une source de panne technique. Cependant les rayons solaires ont aussi un rôle germicide et fongicide. Par conséquent, l’autre possibilité est d’installer des fenêtres mais en limitant les surfaces vitrées. La proportion de vitrage en pays tropicaux est d’environ 5% de la surface totale des façades pour les façades ensoleillées et 10% de la surface totale pour les façades non ensoleillées.

Les rayonnages métalliques en ossature autoporteuse sont un système où les barreaux des rayonnages soutiennent en même temps les planchers. Cette technique est utilisée également dans les pays tempérés, la différence est que dans les pays tropicaux, il faut traiter avec soin les parties métalliques contre la rouille et la corrosion saline.

La lutte contre le feu est un sujet général dans tous les centres d’archives. Cette lutte s’exerce à trois niveaux : prévention, détection, extinction.

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I.6.3 Etude de la climatisation à la Bibliothèque Nationale de France (BNF) [9]

En région parisienne, l’édifice qui se rapprocherait le plus des archives nationales de Pierrefitte en termes de traitement d’air est la Bibliothèque Nationale de France sur le site de Tolbiac (François Mitterrand).

Ce bâtiment constitué de quatre tours d’acier (Fig I.11), de verre et de bois représente par sa disposition 4 livres ouverts, comme l’a voulu Dominique Perrault, l’architecte du projet. Ces 4 tours de 80 m de hauteur et 18 étages représentent une surface totale de 60 000 m².

Figure I.11 : Plan extérieur du site François Mitterrand [9]

Les locaux techniques sont localisés dans les deux derniers étages regroupés de chacune des tours. La BnF est un vrai iceberg, 2/3 de l’énergie est localisé dans les sous-sols où se trouvent les magasins. Le reste des magasins se trouvent en hauteur. Pour ne pas être trop exposé au rayonnement solaire, une isolation a été placée derrière le vitrage et des panneaux en bois dans les magasins.

La construction de la BnF a coûté 1,2 Milliards d’euros, et son budget de fonctionnement annuel est compris entre 180 et 230 millions d’euros, soit le dixième du budget du ministère de la culture.

Peu de publications existent au sujet du traitement d’air de la BnF. Il fallait donc trouver d’autres méthodes pour réunir des informations et des éléments de comparaison avec le CAN. En discutant avec mes collègues, j’ai appris que la personne qui allait être en charge de l’exploitation du CAN est la même personne qui s’occupait de la BnF. Pourquoi ne pas rencontrer cette personne pour en savoir plus sur le traitement d’air de la bibliothèque de Tolbiac ?

M.Bonandrini a accepté volontiers de me recevoir pour échanger sur ces sujets. J’ai appris que la configuration de la BnF était la même que sur Pierrefitte. Dans les deux

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cas, nous retrouvons des bureaux, des salles de consultation des ouvrages et des magasins de conservation des archives.

La production frigorifique de la BnF est assurée par 2 compresseurs centrifuges de 5,5 MW et deux compresseurs à vis York de 2,5 MW chacun, au total la puissance installée est de 16MW frigorifique. En régime nominal, la BnF a besoin d’une puissance de 9MW froid avec un COP de 5 pour chaque compresseur. Deux régimes d’eau glacée ont été installés, le premier départ est à 4°C et le second à 6°C.

Les conditions climatiques de conservation à la BnF correspondent aux anciennes préconisations de la Direction des Archives de France (DAF) [20]. A savoir :

- Température : 18 °C ± 1°C - Hygrométrie : 55% Hr ± 5%.

Dans chaque magasin, des armoires de climatisation à eau glacée assurent la déshumidification lorsque l’humidité relative dépasse la consigne ci-dessus. Un total de 110 humidificateurs représentant 2MW électrique assure l’humidification des magasins et des bureaux.

En ce qui concerne les conditions de ventilation, les valeurs habituelles sont les suivantes :

-Taux d’air neuf préconisé par la DAF: 0,5 vol/h - Taux d’air neuf à la BnF : 0,3 vol/h

-Taux de brassage : DAF/BnF : 3 vol/h Consommation électrique de la BnF :

Comme nous l’avons indiqué précédemment, la BnF consomme beaucoup d’énergie électrique (environ 3 500 MWh/an).

La climatisation et le chauffage ont également un impact dans cette consommation électrique. L’objectif des exploitants de la BnF est de réduire de 25 % par an cette consommation globale soit 100 kW par jour.

La première solution a été d’installer des variateurs de fréquence sur les pompes du réseau d’eau glacée primaire. Ensuite, un système de récupération d’énergie au condenseur a été étudié et soumis au constructeur de machine frigorifique. Enfin, la régulation de la déshumidification et l’humidification des magasins a été modifiée. Au lieu de réguler directement en ambiance à l’aide des armoires de climatisation et des humidificateurs, l’air neuf a été pré-traité grâce à une CTA en amont des magasins, ceci pour obtenir une excellente stabilité de l’hygrométrie.

L’expérience en traitement d’air des exploitants de la BnF a servi d’exemple pour la conception du CAN de Pierrefitte. Toutefois il est toujours possible de trouver de nouvelles idées pour réduire les consommations d’énergie tout en garantissant un traitement optimal des magasins d’archives et des bureaux du CAN.

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II

Etudes réalisées dans les bâtiments satellites

II.1

Description des bâtiments satellites

II.1.1 Schéma de principe

G.F. G.F.

Figure II.1a : Schéma de principe hydraulique du local technique extérieur [6]

Figure II.1b : Schéma de principe hydraulique d’une sous-stations des bâtiments satellites [6]

Les bâtiments Satellites sont alimentés en eau glacée par 2 groupes frigorifiques, et en eau chaude par le réseau Société De Chaleur de Saint Denis (SDCSD) qui est le concessionnaire de production de chaleur le plus proche du chantier. Celle-ci valorise les déchets ménagers de Saint-Denis en les incinérant et en récupérant la chaleur de la combustion pour la revendre sous forme d’eau surchauffée (à 105 °C et 10 bars) à des industries, des sociétés publiques ou privées. Ces productions d’énergies situées dans le local technique extérieur (Fig II.1a), viennent desservir une sous-station par bâtiment. Ces sous-stations (Fig II.1b) sont situées dans les locaux techniques aux niveaux R+1, R+3 et une partie du R+4.

Les émetteurs principaux dans les bureaux et salles de réunion sont des poutres actives. Anciennement appelé éjecto convecteurs, ses appareils peuvent aussi bien diffuser de la chaleur en hiver que de la fraîcheur en été.

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Pour la puissance sur l’eau, le calcul est plus compliqué car cela prend en compte le taux d’induction qui est propre à chaque fournisseur et à chaque poutre (Fig II.4).

Figure II.4 : Dimensionnement d’une Poutre Active [10]

Une fois nos poutres actives sélectionnées au plus juste, nos points bloquants restent la hauteur sous faux plafond trop grande et les apports en été trop importants à combattre.

Sur Pierrefitte, certaines poutres actives devaient être installées à 4 m de hauteur sous faux plafond. Or, en hiver, il y a un phénomène de stratification sur les poutres installées à une grande hauteur. Ainsi, l’air chaud n’arrive pas jusqu’à la hauteur des occupants de ces locaux.

Pour pallier à ce problème, nous avons décidé d’utiliser des ventilo-convecteurs dont la sélection est présentée au paragraphe II.5.1.

L’autre problème que les poutres ne pouvaient pas combattre était les surpuissances dans les circulations et dans les passerelles des satellites.

En effet, dans certaines de ces passerelles, les apports pouvaient monter jusqu’à 12 kW pour une passerelle de 12 m² environ. Si nous devions utiliser des poutres, il aurait fallu en utiliser 5 environ. Ceci est impossible dans 12 m².